Lægemiddelleveringsplatform udnytter luftfyldte proteinnanostrukturer og bruger lyd til målretning

Kemoterapi som behandling af kræft er en af ​​de største medicinske succeshistorier i det 20. århundrede, men den er langt fra perfekt. Enhver, der har været igennem kemoterapi, eller som har fået en ven eller en elsket til at gå igennem det, vil være bekendt med dens mange bivirkninger:hårtab, kvalme, svækket immunsystem og endda infertilitet og nerveskader.

Dette skyldes, at kemoterapi er giftige. Det er meningen, at de skal dræbe kræftceller ved at forgifte dem, men da kræftceller stammer fra raske celler og i det væsentlige ligner dem, er det svært at skabe et lægemiddel, der dræber dem uden også at skade sundt væv.

Men nu har et par Caltech-forskerhold skabt en helt ny form for lægemiddelleveringssystem, et som de siger endelig kan give læger mulighed for at behandle kræft på en mere målrettet måde. Systemet anvender lægemidler, der aktiveres af ultralyd - og kun lige dér, hvor de er nødvendige i kroppen.

Systemet er udviklet i laboratorierne hos Maxwell Robb, assisterende professor i kemi, og Mikhail Shapiro, Max Delbrück-professor i kemiteknik og medicinsk teknik og efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute.

I et papir, der vises i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , viser forskerne, hvordan de kombinerede elementer fra hver af deres specialer for at skabe platformen. Artiklen har titlen "Fjernstyring af mekanokemiske reaktioner under fysiologiske forhold ved brug af biokompatibel fokuseret ultralyd."

I samarbejde giftede de to forskerhold gasvesikler (luftfyldte kapsler af protein fundet i nogle bakterier) og mekanophorer (molekyler, der undergår en kemisk forandring, når de udsættes for fysisk kraft). Shapiros laboratorium har tidligere brugt gasvesikler i forbindelse med ultralyd til at afbilde individuelle celler og præcist flytte celler rundt.

Robbs laboratorium har på sin side skabt mekanoforer, der ændrer farve, når de strækkes, hvilket gør dem nyttige til at detektere belastning i strukturer, og andre mekanophorer, der kan frigive et mindre molekyle, inklusive et lægemiddel, som svar på en mekanisk stimulus. Til det nye arbejde udtænkte de en måde at bruge ultralydsbølger som den stimulus.

"Vi har tænkt på det her i rigtig lang tid," siger Robb. "Det startede, da jeg første gang kom til Caltech og Mikhail, og jeg begyndte at have samtaler om de mekaniske virkninger af ultralyd."

Da de begyndte at forske i kombinationen af ​​mekanophorer og ultralyd, opdagede de et problem:Ultralyd kunne aktivere mekanophorerne, men kun med en intensitet så stærk, at den også beskadigede nabovæv. Det, forskerne havde brug for, var en måde at fokusere energien fra ultralyden lige der, hvor de ville have den. Det viste sig, at Shapiros gasvesikelteknologi leverede løsningen.

I sit tidligere arbejde gjorde Shapiro brug af vesiklernes tendens til at vibrere eller "ringe" som en klokke, når de blev bombarderet med ultralydsbølger. I den nuværende forskning bliver vesiklerne dog trukket så hårdt, at de knækker, hvilket fokuserer ultralydsenergien. Vesiklerne bliver effektivt til små bomber, hvis eksplosioner aktiverer mekanophoren.

"At anvende kraft gennem ultralyd er normalt afhængig af meget intense forhold, der udløser implosionen af ​​små opløste gasbobler," siger Molly McFadden, Ph.D., medforfatter af undersøgelsen. "Deres kollaps er kilden til mekanisk kraft, der aktiverer mekanophoren. Vesiklerne har øget følsomhed over for ultralyd. Ved at bruge dem fandt vi ud af, at den samme mekanophoraktivering kan opnås under meget svagere ultralyd."

Yuxing Yao, en postdoc-forsker i Shapiros laboratorium, siger, at dette er første gang, at fokuseret ultralyd har været i stand til at kontrollere en specifik kemisk reaktion i biologiske omgivelser.

"Tidligere er ultralyd blevet brugt til at forstyrre ting eller flytte ting," siger Yao. "Men nu åbner den denne nye vej for os ved at bruge mekanokemi."

Indtil videre er platformen kun blevet testet under kontrollerede laboratorieforhold, men i fremtiden planlægger forskerne at teste den i levende organismer.

Flere oplysninger: Yuxing Yao et al., Fjernstyring af mekanokemiske reaktioner under fysiologiske forhold ved hjælp af biokompatibel fokuseret ultralyd, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2309822120. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309822120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af California Institute of Technology